Како извући алуминијум електролизом?

Алуминијум је један од најобичнијих метала у земљи Земље, али ретко постоји у свом чистом облику у природи. Уместо тога, обично се налази у рудама као што је боксит, који садржи алуминијум оксид (АЛ₂О₃). Вађење чистог алуминијума од ових руда захтева низ сложених процеса, а електролизу је основни корак који трансформише алуминијум оксид у метални алуминијум. Хала - Хероулт процес, развијен крајем 19. века, и даље је доминантна метода за екстракцију индустријске алуминијума. Ево детаљног распада како се алуминијум екстрахује електролизом.
1. Припрема сировине: прочишћавање алуминијум-оксида
Пре него што се електролиза може започети, алуминијум оксид мора бити пречишћен из његове руде. Бокукит, примарни извор алуминијума, садржи нечистоће попут гвоздених оксида, силика и титанијум диоксида. Ове нечистоће ометале би се у процес електролизе, тако да су уклоњени помоћу Баиер процеса:
• Баукит је здробљен и помешан са врућим, концентрисаним раствором натријум хидроксида (НаОХ). Алуминијум оксид раствара се у алкалију да формирају алуминијум натријума (наалоу), док нечистоће попут гвоздених оксида остају чврсту и филтрирају се.
• Раствор натријум-акутни раствор се затим охлади, а кристали алуминијума хидроксида (АЛ (ОХ) ₃) су исталожени додавањем семенског кристала.
• Ови кристали се загревају на око 1.000 степени у ротационој пећи, где се распадају у чисти алуминијум оксид (ал₂о "и водену пару. Овај пречишћени алуминијум оксид, познат као Алумина, је кључна сировина за електролиза.
2 Припрема електролита: спуштање тачке топљења
Алуминијум оксид има изузетно високу тачку топљења (преко 2.000 степени), што га чини непрактичним да се директно растопи на електролизу. Да би се смањила радна температура, растворена је у растопљеном електролиту који се зове Цриолит (На₃алф₆), који има много нижу тачку топљења (око 1,010 степени). Додавање мале количине других флуорида (нпр. Алуминијум флуорид, алф₃) даље подешава својства електролита, спуштање топљења топљења на око 950-970 степени - Идеално за ефикасну електролизу.
3. Електролитичка ћелија: Основна опрема за алуминијумски екстракцију
Електролитичка ћелија која се користи у хали - процес Хероулт је велики, правоугаони резервоар подложен ватросталним материјалима за издржавање високих температура. Састоји се од две кључне компоненте:
• Катода: Дно и стране ћелије су обложени угљеним циглама, који делују као катоду. Ове угљеничне цигле спроводе струју и пружају стабилну површину за прикупљање растопљеног алуминијума.
• Аноде: Обустављено изнад катоде су вишеструки угљеники аноде, обично направљене од пре - печених угљених блокова. Ове аноде су повезане на напајање и умочите у растаљени електролит.
Ћелија је испуњена растопљеном крилитом електролитом, а пречишћени алуминијум оксид се додаје континуирано да би се одржала стална концентрација.
4. Процес електролизе: претварање алуминијум оксида на алуминијум
Када се кроз ћелију прође електрична струја (обично 100.000-300.000 ампера), настају следеће реакције:
• На катоди: Алуминијумски јони (анти) у електролиту привлаче негативно набијену катоду, где добијају електроне и смањени су на растопљени алуминијум:
Алә + 3 е⁻ → ал (Л)
Растопљени алуминијум, гушћи од електролита, тоне до дна ћелије и накупља се на катоду.
• На аноду: Оксидни јони (О²⁻) из алуминијумског оксида привлаче позитивно набијени анод. Они губе електроне и реагују са анодом угљеника да би формирали угљен диоксид:
2O²⁻ → O₂ + 4e⁻​
Ц (с) + о₂ (г) → цо₂ (г)
Ова реакција током времена троши угљен-аноде, тако да се морају периодично заменити. Растаљени алуминијум се одликује из ћелије у редовним интервалима (обично сваких 1-2 дана) и бацају се у инготе или даље обрађене.
5. ЕНЕРГИ ЗАХТЕВИ И ЗАХТЕВЕ ЗА ЕНЕРГИОНУ
Електролиза је енергија - интензивни процес: производњу једне тоне алуминијума захтева око 13.000-16.000 кВх електричне енергије. Из тог разлога, алуминијумски талосници су често смјештени у близини хидроелектрана или других извора ниског уноса -, обновљиве изворе енергије за смањење трошкова и утицаја на животну средину.
Процес такође ствара угљен диоксид (цо₂) из потрошње аноде, што доприноси емисији гасова са ефектом стаклене баште. Да би се то решило, истраживачи развијају инертне аноде (нпр. Керамичке или металне легуре) које не реагују са кисеоником, елиминишући ЦОУ емисију. Док је и даље у експерименталној фази, инертне аноде би могле револуционирати производњу алуминијума тако што је одрживији.
6 Пост - Обрада: Рафинирање и ливење
Растољени алуминијум екстрахован из електролитичке ћелије је обично 99,5-99,8% чисто. За високе апликације - чистоће (нпр. Аероспаце компоненте), то се подвргава даљњим рафинирањем коришћењем техника попут електролитичког рафинера или вакуумског дегасирања како би се уклонили преостале нечистоће као што су гвожђе и силицијум. Пречишћени алуминијум се затим баца у инготи, листове или друге облике за употребу у производњи.
Закључак
Електролиза је камен темељац екстракције алуминијума, омогућавајући трансформацију алуминијум оксида од боксита у чисто, употребљив алуминијум. Хала - процес Хероулт-а, са поуздањем растопљеног криолитног електролита и угљених електрода, рафиниран је током века да би се уравнотежила ефикасност и скалабилност. Иако изазови попут велике потрошње енергије и емисије ЦОУ и даље постоје, у току иновацијама - као и инертне аноде и напредне електролите - обећавају да ће у будућности бити одрживији екстракцију алуминијума. За сада је Хала - Хероулт процес остаје окосница глобалне производње алуминијума, индустрије за напајање из конструкције до транспорта.